Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat. / Itch is an ubiquitin ligase involved in protein recognition and degradation by the proteasome. Itch has three phosphorylation sites targeted by JNK. These sites overlap a small proline rich domain responsible for Itch binding to SH3 domain proteins. Phosphorylation of Itch is important for Itch interaction with c-Jun and JunB. However, little is known about Itch interaction with SH3 proteins and the impact of phosphorylation on Itch ability to recognize and ubiquitinate SH3 proteins. We created a phosphomimic mutant of Itch and a mutant of Itch that cannot be phosphorylated by JNK. We tested these mutants in interaction and ubiquitination assays to determine their effect on Itch ability to bind and ubiquitinate Endophilin, an SH3 domain protein. Phosphorylation is not a prerequisite for Itch binding to Endophilin but phosphorylation of Itch modulates Itch ability to ubiquitinate Endophilin. Phosphorylation of Itch also modulates Endophilin fate, as phosphomimic Itch induces degradation of Endophilin compared to non-phosphorylated Itch. These results show that phosphorylation regulates Itch activity towards differents substrates in different ways.

Le but de cette thèse était d’identifier de nouveaux substrats au complexe FANC Core,déficient dans l’Anémie de Fanconi, une pathologie génétique rare. Cette maladie estcaractérisée par un phénotype hétérogène associant une pancytopénie à des malformationscongénitales et une prédisposition accrues aux leucémies myéloïdes aigues.L’anémie de Fanconi est causée par la mutation biallélique dans un des seize gènesFANC. Les protéines produites par ces gènes participent à une même voie moléculaireimpliquée dans la signalisation des dommages de l’ADN. Huit de ces protéines forment lecomplexe FANC Core, une E3 ubiquitine ligase, dont les seuls substrats à ce jour sontFANCD2 et FANCI.Dans le but d’identifier de nouveaux substrats du complexe FANC Core, j’ai réalisé uneanalyse protéomique après immunoprécipitation des peptides modifiés par l’ubiquitine ou parles ubiquitin-like NEDD8 et ISG15. Cette expérience a été faite dans des cellules déficientespour la voie FANC, mutées sur les gène FANCA ou FANCC et comparée à des cellulescorrigées par l’expression de ces gènes.Cette analyse révèle que FANCD2 et FANCI sont les seules cibles du complexe FANCCore en réponse à des dommages de l’ADN.Néanmoins, je montre l’existence d’autres protéines qui sont modifiées d’une manièreFANCA dépendante. Ces protéines sont pour la grande majorité des protéines membranairesou associées aux membranes cytoplasmiques. Parmi celles-ci, j’ai pu déterminer que lerécepteur aux chimiokines, CXCR5, était modifié d’une manière FANCA dépendante parl’ubiquitin-like NEDD8. Cette modification impacte sur la localisation de la protéine à lamembrane et à des conséquences sur la migration des cellules.J’ai aussi montré que FANCA participe d’une manière similaire à la régulation de lalocalisation membranaire d’autres protéines comme APLP2.Ainsi, il est proposé par ce travail un rôle de la protéine FANCA en dehors du complexeFANC Core et en dehors de la réparation des dommages à l’ADN. Comment la protéineFANCA participe à la régulation du trafic des protéines membranaires reste un point nonrésolu à ce jour. / The aim of this thesis was to find new substrates of the E3-ubiquitin ligase activity of theFANC Core complex, mutated in the rare genetic disorder Fanconi Anemia. This disease ischaracterized by bone marrow failure, developmental abnormalities and predisposition tocancer. Eight of the 16 known FANC proteins participate in the FANCcore nuclear complex,which has E3 ubiquitin-ligase activity and monoubiquitinates FANCD2 and FANCI inresponse to replication stress.In this thesis, I used mass spectrometry to compare cellular extracts from FANC Corecomplex deficient FA-A and FA-C cells to their ectopically corrected counterparts after agenotoxic stress.FANCD2 and FANCI appear to be the only true direct targets of the FANCcore complex.However, I also identified other proteins that undergo post-translational modifications throughFANCA- or FANCC-specific direct or indirect mechanisms that are independent of theFANCcore complex. The majority of these potential FANCA or FANCC target proteinslocalize to the cell membrane.Finally, I demonstrated that (a) the chemokine receptor CXCR5 is a neddylated protein; (b)FANCA, surprisingly, appears to modulate CXCR5 neddylation through a currently unknownmechanism; (c) CXCR5 neddylation is involved in the targeting of this receptor to the cellmembrane; and (d) CXCR5 neddylation stimulates cell migration/motility.I also confirmed that the role of FANCA in neddylation is not restrict to CXCR5 but also to,at least, one other protein, APLP2.My work has uncovered a new signaling pathway that is potentially involved in the rarehuman syndrome Fanconi Anemia and in cell motility and has highlighted a potential newfunction for the FANCA protein independant of the FANC Core complex and of a genotoxicstress.

Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat. / Itch is an ubiquitin ligase involved in protein recognition and degradation by the proteasome. Itch has three phosphorylation sites targeted by JNK. These sites overlap a small proline rich domain responsible for Itch binding to SH3 domain proteins. Phosphorylation of Itch is important for Itch interaction with c-Jun and JunB. However, little is known about Itch interaction with SH3 proteins and the impact of phosphorylation on Itch ability to recognize and ubiquitinate SH3 proteins. We created a phosphomimic mutant of Itch and a mutant of Itch that cannot be phosphorylated by JNK. We tested these mutants in interaction and ubiquitination assays to determine their effect on Itch ability to bind and ubiquitinate Endophilin, an SH3 domain protein. Phosphorylation is not a prerequisite for Itch binding to Endophilin but phosphorylation of Itch modulates Itch ability to ubiquitinate Endophilin. Phosphorylation of Itch also modulates Endophilin fate, as phosphomimic Itch induces degradation of Endophilin compared to non-phosphorylated Itch. These results show that phosphorylation regulates Itch activity towards differents substrates in different ways.

Breast cancer type 1 susceptibility protein (BRCA1) has been established as an important tumour suppressor protein and its loss of function is associated with hereditary breast and ovarian cancer. An emerging body of work suggests that BRCA1 is involved in sporadic cases of breast and ovarian cancers and may also have a role in other cancers, indicating a more global role in tumourigenesis. BRCA1-mutated cancers can be early-onset and are characterised by being highly aggressive with a propensity to metastasize, thus from a clinical perspective there is a requirement to understand the molecular mechanisms in order to be able to tailor treatments and develop therapeutics. BRCA1 has numerous cellular functions, many ascribed to its role in maintenance of genome integrity, transcription and checkpoint control. More recently, a number of extra-nuclear roles have been established. An interesting novel function is the role of the E3 ubiquitin ligase activity on cell motility. Abrogation of the ubiquitin ligase activity of BRCA1 results in cells exhibiting a hypermotile, invasive phenotype which may help to account for the metastatic nature of BRCA1-mutated tumours. Our aim was to further elucidate BRCA1’s role in cell motility, starting with the identification of relevant candidate ubiquitin ligase substrates. To date, there has yet to be a systematic approach to identify BRCA1’s ubiquitin ligase substrates. Thus we undertook an unbiased proteomic approach to identify extra-nuclear candidates by comparing the profiles of ubiquitinated proteins in breast cancer epithelial cells expressing either functional BRCA1 or ubiquitin ligase-dead BRCA1. We identified 55 candidates which were differentially enriched between the two cell lines and through pathway analysis we determined a significant proportion were cytoskeletal and translation related proteins. Using an ubiquitin-remnant profiling approach, we also identified the site(s) of ubiquitination for many of the candidates. To assess the role of these candidates in cell motility initially we adopted an in silico approach. We used existing time-lapse movies from the online database (www.mitocheck.org) which systematically siRNA knocked down every single gene in the human genome. We developed a series of algorithms which track cell motility from these movies and used these to analyse 192,000 movies containing 3.5 billion cell steps. We have produced a complete database containing motility information after siRNA knockdown of every gene in the human genome, which has been annotated with gene ontologies, KEGG families, Gene Descriptions, SwissProt, Ensembl IDs and siRNA information. In addition to providing motility data of our candidates, we also carried out gene set enrichment analysis on the whole dataset to uncover structural or functional families that may be involved in up-regulating motility when knocked down by siRNA. This is the first report of a genome-wide motility database. Based on overlaps between the results from these two large-scale unbiased proteomic and in silico datasets, we selected 4 candidates, namely, ezrin, moesin, fermitin-2 and delta-catenin. Through monolayer wound healing, cell spreading and single cell motility assays, we determined that ezrin was a particularly relevant and informative candidate. The hypermotile phenotype observed in cells expressing ubiquitin ligase dead BRCA1 was rescued through siRNA knockdown of ezrin and thus we suggest that BRCA1 may regulate cell motility through effects on ezrin. This thesis has investigated candidate BRCA1’s role in cell motility, identified candidate substrates for the E3 ubiquitin ligase activity, established a genome-wide motility database and proposed a possible pathway through which BRCA1 may mediate cell motility and by extension metastasis.

Apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1) is a key DNA repair factor involved in the DNA base excision repair (BER) pathway that is required for the maintenance of genome stability. In this pathway, APE1 cleaves DNA at an abasic site to generate a DNA single strand break, allowing for repair completion by a DNA polymerase and a DNA ligase. High levels of APE1 have been observed in multiple cancer types however it is not understood if this contributes to cancer onset and development. What is known is that these cancers tend to display increased resistance to DNA damaging treatments and APE1 is therefore considered a key target for inhibition in the treatment of APE1-overexpressing cancers. Considering the relevance of modulating APE1 levels in disease and cancer treatment, very little is known about how cellular APE1 levels are regulated. Our lab has previously shown that the levels of the BER factors Pol β, XRCC1 and DNA Lig IIIα are regulated by ubiquitylation-mediated proteasomal degradation. The aim of this doctoral thesis was therefore to determine if ubiquitylation also regulates APE1 stability in cells. I present evidence that APE1 is ubiquitylated in cells and have identified the UBR3 E3 ligase that is responsible for this activity. Using mouse embryonic fibroblasts generated from Ubr3 knockout mice, I demonstrate that UBR3 regulates APE1 cellular levels. I furthermore show that a loss of cellular UBR3 leads to the formation of DNA double strand breaks and genome instability.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

ITCH est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans différents processus cellulaires. Elle contient une région riche en prolines (PRR, proline rich region) qui lui permet de lier le domaine SH3 (Src homology 3) d’Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Plusieurs de ces protéines sont impliquées dans l’endocytose clathrine-dépendante de récepteurs tel le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR, epidermal growth factor receptor). Après activation, l’EGFR est internalisé dans des vésicules enrobées de Clathrine et un complexe protéique formé par CBL, CIN85 et Endophiline participe à cet évènement. ITCH lie l’ubiquitine à CBL et à Endophiline pour vraisemblablement modifier leurs fonctions, ce qui suggère un lien direct entre cette ligase et l’endocytose de l’EGFR. Afin de déterminer le rôle d’ITCH dans ce processus, plusieurs expériences furent réalisées. Premièrement, la modalité de liaison entre la ligase ITCH et les protéines à domaine SH3 a été étudiée en détails. Une série de mutations dans la région PRR d’ITCH nous a aidé à identifier trois résidus arginines (R252, R255, R258) nécessaires pour son interaction avec Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Deuxièmement, des lignées cellulaires HeLa et Cos7 furent modifiées génétiquement par CRISPR pour empêcher l’expression d’ITCH. Ces lignées cellulaires knockout furent caractérisées et utilisées dans un essai d’endocytose de l’EGFR, puis examinées par spectrométrie de masse. L’internalisation d’EGFR fut suivie en microscopie confocale à l’aide d’un ligand EGF fluorescent -/- dans les deux types de cellules ITCH . En absence d’ITCH, nous observons une diminution significative du niveau d’EGF internalisé par rapport aux cellules parentales. La surexpression d’ITCH dans les cellules ITCH-/- rétablit l’internalisation normale de l’EGF, confirmant l’implication d’ITCH dans le processus, mais la surexpression des formes mutantes de ITCH incapable de lier Endophiline ou catalytiquement inactive ne rétablit pas l’internalisation de l’EGF. Ces résultats nous permettent de conclure que l’interaction ITCH-Endophiline et la fonction catalytique de ITCH sont nécessaires pour l’endocytose de l’EGFR. Ensemble, ces deux fonctions de ITCH régulent le trafic endocytique de l’EGFR. De plus, les cellules ITCH-/- montrent un délai de dégradation de l’EGFR phosphorylé ainsi qu’une prolongation du temps d’activation de la kinase MAPK (mitogen-activated protein kinase). Finalement, pour explorer l’influence de l’absence d’ITCH sur ses substrats et partenaires moléculaires nous avons effectué une comparaison protéomique des partenaires d’interaction et des protéines ubiquitylées à partir des lysats cellulaires ITCH-/- et WT. Les résultats ont montré que le manque d’expression de la ligase ITCH altère la présence peptidique des protéines liées à la signalisation de l’EGFR, à la voie protéolytique dépendante de l'ubiquitine et à l’adhésion cellulaire. Cette étude révèle pour une première fois que la protéine ITCH est requise pour l’endocytose dépendante de la Clathrine de l’EGFR. / ITCH is a ubiquitin ligase involved in various cellular processes including endocytosis. It contains a proline rich region (PRR) which allows it to bind the SH3 domain of endophilin and other SH3 domain-containing proteins involved in Clathrin-mediated endocytosis (CME). CME is an important regulatory mechanism for growth factor receptor activity. The epidermal growth factor receptor (EGFR) is actively internalized in Clathrin-coated vesicles after activation. This endocytosis is facilitated by a protein complex formed by CBL, CIN85 and Endophilin. ITCH is known to ubiquitinate both CBL and endophilin, providing a potential functional link between the ligase and receptor internalization. In order to determine the role of ITCH in this process, several experiments were performed. First, the mapping of molecular binding sites between the ligase ITCH and SH3 domain proteins has been studied in detail. A series of mutations in the PRR region of ITCH helped us identify three arginine residues (R252, R255, R258) as necessary for its interaction with endophilin and all the tested SH3-domain containing proteins. Secondly, HeLa and Cos7 cell lines were genetically modified by CRISPR to prevent ITCH expression. These knockout cell lines were characterized for use in an EGFR endocytosis assay and for mass spectrometry analysis. EGFR internalization was monitored by confocal microscopy using fluorescent EGF ligand in both ITCH-/- cell types. In the absence of ITCH, a significant decrease in the level of internalized EGF compared to parental cells is visible. Overexpression of WT ITCH in the knockout cells restores normal internalization of EGF, confirming the involvement of ITCH in the process. Overexpression of Endophilin-binding defective or catalytically inactive ITCH does not restore the internalization of EGF in ITCH-/- cells. These results show that the ITCH- Endophilin interaction as well as the catalytic function of ITCH are necessary for the endocytosis of EGFR. In addition, ITCH-/- cells show a delay in the degradation of phosphorylated EGFR accompanied with an extended period of mitogen-activated protein kinase (MAPK) activation. In a last set of experiments, we explored the influence of the absence of ITCH on its substrates and molecular partners. We performed a proteomic comparison of ITCH-binding partners and potential substrates using the ITCH-/- and WT cell lysates. The results showed that the lack of ITCH expression alters the peptide count of proteins mainly related to EGFR signaling, theubiquitin-dependent proteolytic pathway and cell adhesion. This study shows for the first time that the protein ITCH is required for the clathrin-dependent endocytosis of EGFR.

La leucémie aiguë promyélocytaire (APL) est un cancer des globules blancs qui se caractérise par l’accumulation de granulocytes immatures appelés promyélocytes. Dans la majorité des cas, la maladie est causée par la translocation réciproque des gènes RARα et PML, menant à l’expression de la protéine de fusion PML/RARα qui compromet à la fois les fonctions assurées normalement par RARα et par PML. Ainsi, la répression de la transcription des gènes cibles de RARα et la perturbation de la formation des corps nucléaires PML seraient la cause de la non-différenciation et de la survie par inhibition de l’apoptose des promyélocytes. Un des agents thérapeutiques utilisés dans le traitement de la maladie est le trioxyde d’arsenic (ATO) et malgré le fait que son efficacité soit prouvée, les mécanismes moléculaires par lesquels il exerce son action ne sont pas entièrement caractérisés. PML étant SUMOylée en réponse à l’ATO, nous avons émis l’hypothèse que d’autres protéines pourraient être régulées dans leurs modifications post-traductionnelles (PTMs) en réponse à l’agent thérapeutique et pourraient occuper un rôle dans le processus de guérison. Une analyse par protéomique quantitative de cellules HEK293 traitées à l’ATO a permis d’identifier 92 protéines significativement régulées en SUMOylation, incluant certains substrats connus de la caspase-3. Suite à cette observation, nous avons supposé que la SUMOylation pourrait protéger les substrats de la caspase-3 de leur clivage protéolytique. À l’aide d’essais in vitro et d’immunobuvardages, nous avons confirmé que la SUMOylation de PARP1 empêche son clivage par la caspase-3, ce qui pourrait jouer un rôle dans le destin cellulaire. / Acute promyelocytic leukemia (APL) is a cancer of white blood cells characterized by the accumulation of immature granulocytes called promyelocytes. In most cases, the disease is caused by the reciprocal translocation of the RARα and PML genes, leading to the expression of the PML/RARα fusion protein that compromises both the functions normally provided by RARα and by PML. Thus, repression of the transcription of RARα target genes and disruption of the formation of PML nuclear bodies may cause the non-differentiation of promyelocytes and the promotion of their survival by inhibition of apoptosis. One of the therapeutic agents used to treat the disease is arsenic trioxide (ATO) and despite the fact that its effectiveness is proven, the molecular mechanisms through which it exerts its action are not fully characterized. Since PML is SUMOylated in response to ATO, it is likely that other proteins may also exhibit changes in their post-translational modifications (PTMs) and play a role in the response. By using large-scale proteomic workflows on HEK293 cells following ATO treatment, we identified 92 proteins that shown significant changes in SUMOylation, including some known capase-3 substrates. Following this observation, we surmised that SUMOylation may protect these substrates from caspase-3 cleavage. Using in vitro assays and immunoblots, we confirmed that SUMOylation of PARP1 prevents its cleavage by caspase-3, an event that could mediate cell fate.

In Saccharomyces cerevisiae nimmt die membrangebundene RING-Ub-Ligase Doa10 eine bedeutende Rolle in der Proteinqualitätskontrolle (PQC) des Endoplasmatischen Retikulums (ER) und des Nukleus ein. Doa10 katalysiert dabei die Verknüpfung K48- verbundener Ub-Ketten auf Proteine, die entweder in der ER-Membran oder löslich im Cytosol oder dem Nukleoplasma vorliegen. Diese Markierung leitet die Degradation dieser Proteine ein. Interessanterweise kooperiert Doa10, im Gegensatz zu anderen RING-Ub-Ligasen, mit zwei Ub-konjugierenden Enzymen (E2), um ihre Substrate zu prozessieren. In dieser Arbeit wird veranschaulicht, wie die beiden hochspezialisierten E2 Enzyme Ubc6 und Ubc7 sequentiell agieren, um Doa10 Substrate zu modifizieren. Zuerst wird ein einzelnes Ub-Molekül Ubc6-abhängig an ein Substrat konjugiert (Initiation). Von diesem Rest ausgehen katalysiert Ubc7 die Ausbildung einer K48-verbundenen Ub-Kette (Elongation). Die Fähigkeit von Ubc6 nicht nur Lysine, sondern auch hydroxylierten Aminosäuren wie Serin und Threonin mit Ub-Molekülen zu verknüpfen, erweitert das Substratspektrum von Doa10 und ermöglicht die Prozessieren von Proteinen, die keine zugänglichen Lysinreste exponieren. Weiterhin wird gezeigt, dass ein Überangebot von Ubc6 den Doa10-abhängigen Substratabbau beeinträchtigt. Dies weist darauf hin, dass die Generierung eines effizienten Poly-Ub-Signals einer streng kontrollierten Koordination beider E2 Enzyme am Doa10-Ligase-Komplex unterliegt. / In Saccharomyces cerevisiae, the membrane-bound RING-type Ub ligase Doa10 is a key player of Protein Quality Control (PQC) in the endoplasmic reticulum (ER) and the nucleus. Doa10 promotes lysine 48-linked poly-ubiquitylation of proteins that either reside in the ER membrane or are soluble in the cytosol or the nucleus and thereby labels them for degradation. Strikingly, in contrast to other RING Ub ligases, which typically employ a single Ub conjugating enzyme (E2) for substrate ubiquitylation, the Doa10 ligase requires two of such enzymes for client processing. This study demonstrates that the highly specialized E2 enzymes Ubc6 and Ubc7 act in a sequential manner on Doa10 client proteins. In a first step Ubc6 attaches a single Ub molecule to a substrate (priming), which is followed by the elongation of this moiety with K48-linked Ub chains by Ubc7 (elongation). The ability of Ubc6 to conjugate Ub not only to lysine but also to hydroxylated amino acids like serine and threonine broadens the substrate range of Doa10 and allows processing of proteins, which do not expose accessible lysine residues. Overproduction of Ubc6 was shown to impair Doa10 dependent substrate degradation. Apparently, the generation of a productive K48-linked poly-Ub signal requires a tightly coordinated activity of the individual E2 enzymes at the Doa10 ligase complex.